探索ABB機器人 | 用于汽車動力總成的裝配
發布時間：2021-07-17 09:59:40 作者：顯揚科技
在過去的40年里，我們已經見到工業機器人在大多數制造領域里從事那些勞動強度大或重復性高的工作方面勝過了人類。但在一個重要的應用領域——機械裝配，迄今為止，機器人的應用技術仍落后于工業產業對它的期望。由于裝配工作要求快速、精密和可靠，傳統的工業機器人似乎還不能完成某些裝配作業和熟練技術工人的工作。
把一個燈泡旋入燈座這樣簡單的任務就可以說明為什么傳統的工業機器人干不了這件事。要施加一個大小正好合適的力，在正好合適的時間把燈泡轉動一個正確的角度，這是人類憑直覺來做的工作，一個依靠編程的機器人怎么能干得了這樣的活呢?
與旋燈泡的工作類似
汽車動力總成的裝配是一種傳統的手工作業，需要有熟練技巧和有經驗的工人來完成，因為離合器和液力變矩器等部件的齒輪和其他重要零件都必須在一個狹小的空間里以非常高的精準度進行對中，這樣單調的多次重復動作會使工人容易疲勞，并會降低產品質量，工作效率無疑也會受到影響。如果機器人操作可以達到人工操作同樣水平，這將使自動化在這個領域中的應用前景非常廣闊。為了讓機器人能夠模仿人類在裝配線上的工作，機器人需要有對力的感覺能力和順從性。機器人必須有一種控制方法能夠對力和力矩進行控制，并能夠對接觸的信息作出反應。ABB新型機器人的力控制技術可以做到這一點。
具有位控制功能的機器人所面臨的問題
如果一個具有位控制功能的機器人試圖把兩個齒輪對準，而它的控制程序對齒的位置卻沒有準確的信息，這時，機器人的選擇只能是反復進行試對中和找錯，一直反復進行，直到找對了齒的相對位置為止。機器人試圖把兩個齒輪裝配起來，如果沒對準，就會使一個齒輪緊緊地壓住另一個齒輪，并產生很大的接觸力。為了便于安裝，即使我們把齒輪的齒進行倒角處理，但對不準仍然會產生很大的側向應力，因為機器人總是盡量讓齒輪沿著預先制定的路線向被插入物的中心線移動。不僅如此，這種做法有時甚至會使齒輪發生卡死現象，除非事先已采取了某些機械順從性措施。
RCC（遠程中心順從性）裝置就是為解決這一問題而開發的。安放一些抗剪彈性墊塊可以減小齒輪接觸時的接觸力，并能使裝配機器人補償因振動或公差不合適而引起的定位誤差。當順從性中心接近接觸點時，被插入的外凸形的零件因受到強大的接觸力而能自動對準凹形零件，而這個接觸力是由于沒對準而產生的，所以，無論是零件還是工具，都不會受到損壞。
不幸的是，像RCC裝置這樣有用的設備卻不能廣泛應用于汽車廠里的所有裝配作業上。這里有幾個原因：首先，裝配零件的幾何形狀很復雜而且差別很大，因而需要頻繁地從一個零件的專用裝置換成另一個零件的專用裝置；此外，由于這種裝置本身不能使零件彼此進行定位并產生相對轉動，因而裝配所需時間比較長。所有這一切，使發生故障的風險都比較高。
機器人向人類學習
面對復雜零件的裝配問題，人類的思維和行動的敏捷性是驚人的，我們可以在適當的地方，在零件發生卡死之前產生并施加一個插入力。人類能夠“本能地”學會*合理地使用順從性，感受到力和力矩以及零件邊緣和邊界的接觸情況，并能盡快獲得所希望的結果。人類區別于工業機器人的一個明顯的特點就是我們具有觸覺并能對它作出反應。因此，如果要求機器人模仿人類的行為，他們也需要具有類似的觸覺能力和順從性，還要能夠用一種控制方法對力和力矩進行控制，并對接觸的信息作出反應。所有這些都需要對傳統機器人的定位控制技術及規范進行一次徹底的變革。
ABB的解決方案
ABB一直都在不斷地研究和開發機器人應用的新技術，有一部分研究活動是與大學進行合作的，其中一項是ABB的科學家和工程師同美國俄亥俄州的Case Western Reserve大學和瑞典的Lund大學的研究人員合作在ABB目前的S4Cp1us機器人控制器的基礎上共同開發一個新型的力量/位置混合平臺。與此同時，這個研究組還開始同福特汽車公司開展合作研究，以便了解更多的有關應用方面的特殊要求和知識。目前，這個項目在以力控制為基礎的裝配應用方面已經形成了一個解決方案。
這項工作的最終成果是開發出一個總體解決方案，它能使ABB機器人既具有“感覺”又堅強有力，更為重要的是，獲得這種新的感覺功能不會使機器人現有的能力或功能受到影響，比如ABB機器人的能快速控制加速度的先進性、通信能力強和可靠性高等卓越的功能特點全都被保留了下來。
這項技術最初是在IRB4400 IRB6400機器人上進行試驗的，其有效負載范圍為30～200kg，用于裝配汽車動力總成的不同零件。這些工作是比較復雜的，其中包括向前插入離合器的盤殼和F/N液力變矩器的裝配。所有試驗都一致證明了這兩款機器人在循環時間、可接受的插入力、可靠性和便于編程等方面具有優異的性能。
位和力的和諧控制
目前，機器人的快速運動已達到了人們可以接受的程度，但要保證接觸的穩定性卻依然是一個問題。雖然人們已經對很多有前途的智能控制方法進行過研究，但是，采用慢慢地不斷施加力的方法來對位置進行控制，其效果與性能大多數還是不太好。
阻抗和導納的概念也有助于理解機器人的力控制（力和速度的關系非常重要，阻抗被定義為力除以速度，而導納則是它的倒數。在力控制中，“導納”是作為在穩定性和性能方面了解系統行為的一種方法）。沿著每個自由度，在兩個或更多的物理系統之間的瞬時能流通量（power flow）可以定義為兩個共軛變量〔作用力/力和流量/速度〕的乘積，但是，這里有一個明顯的物理制約，那就是一個系統不能確定兩個變量。一個機械手可以沿著任何一個自由度對它的外界物體施加一個力或一個位移或速度，但不能兩者都兼顧到，因此，一個裝配機器人應該有導納的特性，可以接受力（輸入）并產生運動（輸出），這可以理解為：在裝配時一旦感覺到有接觸力，機器人就應該按照控制的規則來改變其運動，接觸力不會繼續增加。
以可能實現的最大無源導納的概念為基礎，ABB的工程師已構思出智能的控制方法，可以與現有先進的位控制方法實現無縫集成，并保證在大多數普通生產環境下能夠實現穩定的、輕柔的接觸。這種設計還能保證在力控制方式和位控制方式兩者之間的平穩轉換。
編程容易
具有主動的力控制功能的機器人雖然有很多優點，例如適應性強、對不同用途可分別進行編程等，但它還需要更先進的控制系統和合適的編程來規定機器人應該怎樣與外部的制約條件實現互動。現在，ABB已把研究工作的重點放在控制策略及其能力上，使機器人能夠在實現穩定而輕柔地接觸的同時，還能夠與外界物體實現互動。
引入力反饋的功能只能使工業機器人能夠對外界力作出反應，但卻不能告訴機器人當裝配零件時應該怎樣運動，所以，力控制只能讓一個具有順從性的機器人盡量去避免大的接觸力，但沒有一種機制使它可根據零件的幾何形狀把幾個零件（例如齒輪）裝配起來。這時，裝配件之間的卡死雖然可以預防，但卻無助于讓這些零件對中。在不確定性較高的情況下進行裝配并非不可，但由于有許多可能的接觸狀態在數學上仍不能對其進行處理的情況，所以通過力的相互作用來修正機器人的位置的確是很困難的。
ABB的解決方案是通過引入吸引力的概念使用戶擺脫復雜編程的負擔。同以導納為基礎的快速力控制不僅保證了接觸是輕柔的，而且被裝配的零件能定位在準確的對中位置上。所有的對中要求一旦得到滿足，機器人就可以開始對其專用零件進行搜索并進行裝配。一個典型的裝配程序可以簡化如下：
設定吸引力；
設定搜索參數；
設定目的地；
移動到開始點；
啟動力控制；
如果接觸，啟動搜索；結束如果；
如果達不到目的地，繼續搜索；結束如果；
撤消搜索；撤消力控制；返回。
力量加敏捷
很明顯，被裝配的零件越輕，施加一個較輕的接觸力就越容易，即使在手工裝配時也是這樣。當裝配重的零件時，要使允許的接觸力小于零件的重量，并把零件移動到設定的位置上就不那么容易了，因為這需要機械手抓住零件，克服重力，同時還要完成若干個裝配步驟，這種工作是錯綜復雜而且很繁重的。
現在舉一個福特汽車裝配F/N液力變矩器殼體的例子。該殼體重量約25kg，殼體里面有一個雙花鍵的齒輪組，還要把一個齒輪泵插進這個齒輪組里。齒輪泵的密封是很重要的，因此在插入時要非常小心，無論如何都要確保不能損壞，同時在內部還必須裝上一根花鍵軸，這使裝配工作變得更加復雜。
為完成這項任務，ABB機器人解決方案最終選擇了IRB6400機器人，這種機器人的有效負載能力為150kg，它能在無需幫助的情況下支撐零件的重量，并且不會出現任何額外有的接觸力。試驗表明，IRB6400機器人能處理的總重量為75kg（包括零件、抓手和力傳感器的重量），而且仍然能把接觸力限制在200N以下。正如試驗所證明的那樣，ABB機器人具有先進的力控制裝置，能夠勝任非常精密的裝配工作，即使裝配一些重的零件也不成問題，因此適合于各種工業部門進行裝配工作。
性能優越，工作可靠
在汽車工業中，對先進的力控制器所進行的試驗已令人信服地證明：它具有提高循環時間和在不同裝配作業中靈活應用的能力。在離合器裝配的例子中，安裝了IRB4400機器人的工作單元把部件插入的時間平均只需要5.7s（如果用手工裝配，插入時間一般需要15～20s），最初接觸時的反作用力小于100N，在裝配時小于80N。另一個例子是F/N液力變矩器的裝配，平均需要時間6.98s，接觸力限制在200N。值得注意的是，該裝配過程允許的定位誤差僅為±2mm。ABB的S4Cplus機器人控制器受到整個制造工業的稱贊，因為它的可靠性使機器人能夠表現出很多優越的性能。
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